Elektronisches Schließfach

Autoren: Kilian Engelhardt & Jörn-Hendrik Beleke
Betreuer: Prof. Schneider

Einleitung

Das Projekt "Elektronisches Schließfach" entsteht im Rahmen des Praktikums "Fachpraktikum Elektrotechnik" im Studiengang "Mechatronik (MTR)".

Ziel des genannten Projekts ist die Entwicklung eines Schließfachs zum Verstauen privater Gegenstände, welches komfortabel durch die Eingabe biometrischer Daten durch eine Fingerabdruckerkennung auf einem Bedienfeld durch den Besitzer entsperrt werden kann. Zusätzlich verfügt das Schließfach über Zahlentasten auf dem Bedienfeld, wodurch die Öffnung des Schließfachs durch weitere Personen mit der Eingabe eines PIN-Codes ermöglicht wird. Zur Entsperrung des Verschlussriegels soll ein Servomotor eingesetzt werden. Für die Schaltung des Bedienpanels wird eine Platine entwickelt und angefertigt oder auf einem Breadboard realisiert. Über ein LCD-Display werden Anweisungen und der Eingabestatus für den Bediener dargestellt. Eine erfolgreiche sowie mehrfach fehlerhafte Eingabe soll akustisch durch einen Ton bzw. Alarm eines Summers und visuell durch das Leuchten von LEDS bestätigt werden. Zusätzlich wird eine Funktion zur Änderung des Zahlencodes oder Fingerabdrucks implementiert.

Anforderungen

Die Anforderungen an das Projekt werden in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgezeigt. Dabei sind diese in die Bereiche Hardware, Mechanik und Software unterteilt.

Nr.	Beschreibung	Bereich	Datum	Status
1	Das elektronische Schließfach muss ein Bedienpanel mit Fingerabdruckerkennung und Tastern zur PIN-Code-Eingabe besitzen.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
2	Das Bedienpanel muss über ein LCD-Display und LEDs zur Visualisierung des Eingabestatus verfügen.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
3	Für das Schließfach muss eine Spannungsquelle bereitgestellt werden.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
4	Als Mikrocontroller muss ein Arduino eingesetzt werden.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
5	Als Schließmechanismus muss ein Servo-Motor mit Sperrriegel eingesetzt werden.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
6	Für das Schließfach muss ein Gehäuse angefertigt werden.	Mechanik	04.10.2023	Erledigt
7	Der Algorithmus muss die Signale der Fingerabdruck- und PIN-Code-Eingabe erfassen und verarbeiten.	Software	04.10.2023	Offen
8	Der Schließmechanismus muss durch den Algorithmus betätigt werden.	Software	04.10.2023	Offen
9	Der Algorithmus muss über eine Funktion zur Änderung des PIN-Codes bzw. Fingerabdrucks verfügen.	Software	04.10.2023	Offen
10	Auf dem LCD Display muss der Eingabestatus durch den Algorithmus visualisiert werden.	Software	04.10.2023	Offen
11	Der Algorithmus muss eine Alarmfunktion für wiederholt falsche Eingaben besitzen.	Software	04.10.2023	Offen
12	Die Umsetzung des Algorithmus muss unter Matlab/Simulink erfolgen.	Software	04.10.2023	Offen

Tabelle 1: Auflistung der Anforderungen

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Zur näheren Erläuterung wird der Systementwurf in Komponenten unterteilt:

• Gehäuse: Das Gehäuse beinhaltet alle folgenden Komponenten und bietet die grundlegende Funktion eines Schließfachs in Kombination mit dem Schließmechanismus.

• Schließmechanismus: Als Schließmechanismus wird ein Servo-Motor eingesetzt, welcher das Schließfach über einen Verschlussriegel öffnet oder sperrt.

• Endschalter: Diese Komponente erfasst den geöffneten oder geschlossenen Zustand der Schließfachtür.

• Tastenfeld und Fingerabdrucksensor: Diese Komponenten erfassen die Eingabe des PIN-Codes und der biometrischen Daten.

• LCD-Display: Auf dem Display werden Anweisungen und der Eingabestatus für den Nutzer dargestellt.

• Summer: Dieser Lautsprecher informiert den Nutzer akustisch über den Eingabestatus.

• Arduino: An den Arduino Mikrocontroller sind die genannten elektrischen Komponenten angebunden. Der Mikrocontroller führt den Algorithmus aus, welcher die Eingaben des Nutzers auf dem Bedienpanel erfasst, verarbeitet und entsprechende Aktionen durch die Komponenten steuert.

• Spannungsquelle: Als Spannungsquelle für den Arduino mit Platine wird eine 9V-Block-Batterie eingesetzt.

Die nachfolgenden Abbildungen 1.1 und 1.2 stellen eine Skizze des Systementwurfs sowie den Signalfluss des Systems dar.

Abbildung 1.1: Skizze des Systementwurfs

Abbildung 1.2: Signalfluss des Systems

Komponentenspezifikation

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind alle für das Projekt verwendeten Komponenten aufgelistet, welche anhand des Systementwurfs ausgewählt wurden.

Tabelle 2: Komponentenliste

Nr.	Komponentenbezeichnung	Beschreibung	Bild
1	Arduino MEGA	ATmega2560 Prozessor Versorgungsspannung: 7V-12V (empfohlen) Betriebsspannung: 5V 54 digitale Ein-/Ausgänge und 16 analoge Eingänge	mini
2	Fingerabdrucksensor JM 101	Betriebsspannung: 5V	mini
3	Mechanischer Endschalter	Ausführung: Wechslerkontakt NC oder NO je nach Verschaltung Betriebsspannung: 5V	mini
4	MG90S Micro Servo	Betriebsspannung: 5V Blockierdrehmoment: 2 kg/cm Maximaler Drehwinkel: 180°	mini
5	4x4 Tastenfeld	Betriebsspannung: 5V 16 Tasten: Zahlen 0 bis 9 Buchstaben A bis D Sonderzeichen * und #	mini
6	16x02 I2C LCD Modul	Betriebsspannung: 5V 2 Zeichenreihen, 16 Zeichen pro Reihe mit I2C HD44780 Modul, verlötet	mini
7	Piezo Lautsprecher	Betriebsspannung: 5V	mini
8	Industriegehäuse	Abmessungen: 250 x 350 x 150 mm Material: ABS Kunststoff	mini
9	Montageplatte Arduino Mega	Herstellung mittels 3D-Druck Ermöglicht Montage des Arduinos an Schließfachtür	[In Bearbeitung]
10	Spannungsquelle	9V-Block-Akku	[In Bearbeitung]

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Montage der Komponenten

Nach den Funktionstests der Einzelkomponenten (siehe Kapitel Komponententest) wurden diese im Gehäuse verbaut. Dazu mussten entsprechende Aussparungen für den Fingerabdrucksensor, das Tastenfeld und das LCD-Display an der Schließfachtür angefertigt werden, siehe Abbildung 2.1a.

Um den Servo-Motor am Schließmechanismus zu befestigen, wurden Bohrungen in den Verschlussriegel des Schließmechanismus eingebracht. Mittels Schrauben wurde dann ein im Lieferumfang enthaltenes Verbindungsstück mit dem Motor und den Bohrungen verbunden. Wie in Abbildung 2.1b dargestellt wurde der Motor anschließend über zugesägte Kunststoffwinkel an der Innenseite der Schließfachtür angebracht.

Verdrahtung der Komponenten

Im Anschluss an die Montage der einzelnen Komponenten im Gehäuse mussten alle elektronischen Komponenten mit dem Arduino Mikrocontroller elektrisch verbunden werden. Dazu wurde der folgende Verdrahtungsplan nach Abbildung 2.2 für das Gesamtsystem angefertigt.

Software

Die Umsetzung der Software für das Gesamtsystems des elektronischen Schließfachs erfolgt unter MATLAB Simulink. Da für dieses Projekt ein Arduino Mega 2560 als Mikrocontroller eingesetzt wird, wurde das "Simulink Support Package für Arduino Hardware" aus dem MATLAB Add-On Explorer zur einfachen Integration der Arduino-Hardware in Simulink installiert. Zusätzlich wird der Block "S-Function Builder" aus der Simulink Bibliothek zur Softwareentwicklung verwendet. Durch diesen Funktionsblock kann C++-Code in Simulink-Modellen integriert werden, was die Verwendung von Arduino-Bibliotheken zur Steuerung der Arduino-Hardware ermöglicht.

Eine Anfertigung der Software für das Gesamtsystem befindet sich noch in Bearbeitung.

Die nachfolgenden Programmablaufpläne (Abbildung 2.3a bis 2.3e) zeigen die vorläufige Planung des Hauptprogramms und der Unterfunktionen.

Programmablaufplan Hauptprogramm

Abbildung 2.3a: PAP Hauptprogramm

Programmablaufplan Unterfunktionen

Abbildung 2.3b: PAP Alarmfunktion

Abbildung 2.3c: PAP Entsperrungsfunktion

Abbildung 2.3d: PAP PIN-Änderung

Abbildung 2.3e: PAP Fingerabdruck hinzufügen

Komponententest

Test der Einzelkomponenten

[In Bearbeitung]

Servo-Motor

Um die Funktion des Servo-Motors zu testen, wurde dieser in der Ausgangsstellung von 0° am Verschlussriegel im geschlossenen Zustand (waagerecht) montiert. Um den Verschlussriegel zu öffnen, musste dieser vom Servo-Motor um 90° gedreht werden. Dazu wurde ein Simulink-Modell erstellt, welches in Abbildung 3.1a und 3.1b dargestellt ist.

Abbildung 3.1a: Simulink-Modell Servo, 0° Ausgangsstellung

Abbildung 3.1b: Simulink-Modell Servo, 90° gedreht

Durch das maximale Drehmoment des Motors von 2kg/cm konnte der Verschlussriegel erfolgreich um 90° gedreht und somit in den geöffneten Zustand versetzt werden, wie in Abbildung 3.2 gezeigt.

Projektunterlagen

Projektplan

Zur Planung der Projektdurchführung wurde der folgende Gantt-Projektplan (Abbildung 4.1) mit den einzelnen Entwicklungsvorgängen und Meilensteinen erstellt.

Abbildung 4.1: Projektplan Elektronisches Schließfach

Literatur

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